Entwicklung und Evaluation eines Graspable User Interface für ein arbeitswissenschaftliches digitales Menschmodell

Wiegmann, David GND

Ergonomic simulation offers high potential to improve the ergonomics and productivity of future manual production processes. Nevertheless, ergonomic simulation is used quite rarely in production planning processes compared to other simulation methods e.g. robotic simulation. The main reason for this is the high effort in time which is required to control a digital human, which is often needed to create human movements in the simulation. Basically, it is possible to set a posture of a digital human model by forward or by inverse kinematics. Using forward kinematics the user has to set every single joint which requires experience and time. On the other hand, inverse kinematics based posturing is a fast method, but it often leads to unsatisfactory postures. Next to these methods it is possible to use motion capture systems for controlling the digital human which often requires preparation effort and physical prototypes of product and equipment.

To reduce the time which is needed for posturing in human simulation this work describes a new approach. Therefore, a special input device has been developed. A small physical puppet is used to control the posture of a digital human model. The dimensions of the puppet correspond with the 50th percentile of the German population and is scaled by the factor 1:4.25. The puppet is an input device with 22 degrees of freedom and is designed to control the digital human model Jack by Siemens PLM. Thus, a plugin have been developed to use in the simulation tool Process Simulate.

Besides the Design of the input device, this works describes also its evaluations in two studies. The first study focuses on the posturing process. Users should manipulate the digital human model to six different target postures per run with our input device and with the mouse. All target postures where designed with respect to manual production processes. They considered an interaction of the digital human, product and equipment. Taking a learning curve into consideration, each participant repeated the run seven times. We measured the required time, the accuracy and the level of satisfaction for each input device and run. The results of the study show that users can manipulate human postures significantly (α = 0.05) faster with our device. In the second study experts evaluated the input device in a questionnaire after using it. The results show that the experts assessed that users are faster with the new developed input device.

Moreover, application scenarios and development potentials are described.

In der Vergangenheit führten zunehmende marktbeeinflussende Anforderungen dazu, dass der Produktionsplanungs- und Gestaltungsprozess von Unternehmen in immer kürzerer Zeit und teilweise parallel zum Produktentwicklungsprozess bewältigt werden muss. Hieraus resultierend hat sich der Einsatz von Methoden und Werkzeugen der Digitalen Fabrik fest im Produktionsplanungsprozess etabliert. Trotz vieler Vorteile findet die ergonomische Abbildung des Menschen in der Digitalen Fabrik im Vergleich zu anderen Methoden bisher weniger Beachtung. Studien zeigen, dass der größte Nachteil des Einsatzes digitaler arbeitswissenschaftlicher Menschmodelle der hohe zeitliiche Bedienungsaufwand ist. Ein Hauptgrund hierfür ist, dass die bisherigen Methoden zur Manipulation der Körperhaltung und der Bewegungsgenerierung häufig keine zufriedenstellenden Lösungen bieten, was das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen betrifft.Eine Möglichkeit, dieses Verhältnis zu verbessern, liegt in dem Einsatz innovativer Benutzerschnittstellen und deren Eingabegeräten. In ähnlichen Anwendungen wurden bereits zur Manipulation digitaler Modelle spezielle Eingabegeräte entwickelt. Diese Eingabegeräte stellen dabei ein physisches Abbild in Form einer Puppe o.ä. des zu kontrollierenden digitalen Modells dar und erleichtern dessen Bedienung. In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Gestaltung eines solchen Eingabegerätes für ein digitales, arbeitswissenschaftliches Menschmodell beschrieben. Das Eingabegerät namens Human Input Device wird auf das Menschmodell Jack von Siemens PLM zugeschnitten. Im Weiteren wird der Einsatz des Eingabegeräts innerhalb der Ergonomiesimulation im Vergleich zur Maus evaluiert. Als Evaluationsziel dient hierbei die Gebrauchstauglichkeit, deren Spezifikation bei der Manipulation der Körperhaltung eines arbeitswissenschaftlichen Menschmodells beschrieben wird. Hierauf aufbauend werden zwei Nutzerstudien durchgeführt. Eine dieser Nutzerstudien stellt ein Experiment dar, bei dem das Eingabegerät von Laien in einem engen vorgegebenen Rahmen benutzt wird, um die Körperhaltung digitaler Menschmodelle zu kontrollieren. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der Eingabepuppe der Zeitbedarf hierfür signifikant geringer ist. In der zweiten Nutzerstudiewird das Eingabegerät anhand von Experten an Beispielen aus der Praxis evaluiert. Hierbei schätzen die Experten ebenfalls überwiegend ein, dass sich die Bedienung beschleunigt, wenn das Human Input Device verwendet wird.

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Wiegmann, David: Entwicklung und Evaluation eines Graspable User Interface für ein arbeitswissenschaftliches digitales Menschmodell. 2019.

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